鐵路隧道聚丙烯酸鹽噴膜防水層施工接縫性能研究

摘要：文章研究配制一種聚丙烯酸鹽噴膜防水材料，開(kāi)展了施工接縫對(duì)聚丙烯酸鹽噴膜拉伸性能、粘結(jié)性能、酸堿性能和不透水性能的影響試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：有施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜平均拉伸強(qiáng)度相比沒(méi)有施工接縫時(shí)僅降低4.5%，平均斷裂伸長(zhǎng)率增大7.2%，平均粘結(jié)強(qiáng)度降低12.1%；在pH為11～12，、pH為5～6的酸堿溶液中浸泡7 d，有施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜的形變量相比無(wú)施工接縫時(shí)有較大幅度增加，但均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脫落或者分離，整體性良好；有接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，壓力基本不變，且非迎水面沒(méi)有明顯滲漏現(xiàn)象，不透水性能良好；施工接縫對(duì)于聚丙烯酸鹽噴膜性能影響不大，不需要做特殊處理，但是當(dāng)?shù)叵滤嬖趶?qiáng)酸或者強(qiáng)堿性時(shí)，不宜采用聚丙烯酸鹽噴膜防水材料。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酸鹽噴膜；防水層；拉伸性能；粘結(jié)性能；酸堿性能；不透水性能

中圖分類號(hào)：U459.1

基金項(xiàng)目：2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“高鐵隧道施工移動(dòng)式接力抽排裝置的研究與開(kāi)發(fā)”（編號(hào)：2020KY44017）

作者簡(jiǎn)介：沈 杰（1984—），碩士，副教授，研究方向：隧道施工與維護(hù)。

0 引言

鐵路是陸地運(yùn)輸?shù)闹匾绞街?。近年?lái)，我國(guó)一直致力于鐵路網(wǎng)的建設(shè)與完善，規(guī)劃和修建了一大批鐵路工程，受地形的影響，在修建過(guò)程中不得不修建大量的隧道工程，尤其是在西南地區(qū)，鐵路隧道更是大量存在。由于隧道周圍存在豐富的地表和地下水，導(dǎo)致隧道經(jīng)常出現(xiàn)滲漏等水害，影響鐵路的安全運(yùn)行。因此，必須尋找最佳的防水方法，而防水材料的性能對(duì)于防水效果起著決定性作用^［1］。

當(dāng)前，鐵路隧道工程常用的防水材料包括防水卷材、防水板和防水涂料三類^［2-5］。防水卷材和防水板不能緊貼隧道壁面，焊縫多、焊接難度大，易出現(xiàn)穿刺和斷裂損傷，而防水涂料的整體性好、施工簡(jiǎn)單、無(wú)焊縫等優(yōu)點(diǎn)，在近年來(lái)得到更廣泛的關(guān)注，但是也存在易揮發(fā)、易爆燃、有毒性等缺陷，因此需要對(duì)防水涂料進(jìn)行改進(jìn)。丙烯酸鹽防水涂料就是其中一種。丙烯酸鹽防水材料施工快、無(wú)焊縫、成分環(huán)保^［6-7］，但是在施工過(guò)程中，由于換料、中途休息等原因，會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致施工間斷，同時(shí)由于丙烯酸鹽噴膜材料的交聯(lián)時(shí)間很短，因而會(huì)因?yàn)槭┕らg斷問(wèn)題形成數(shù)量眾多的施工接縫，而施工接縫處理是否對(duì)噴膜防水效果有影響值得進(jìn)行深入探討。

本文配制了一種聚丙烯酸鹽噴膜防水材料，并從拉伸性能、粘結(jié)性能、酸堿性能和不透水性能等多個(gè)方面探討施工接縫對(duì)其的影響，以期為鐵路隧道的防水設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 丙烯酸鹽噴膜防水、隔水機(jī)理

防水機(jī)理：

鐵路隧道施工通常采用礦山法進(jìn)行開(kāi)挖，這種礦山法施工的隧道結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外依次為噴射混凝土支護(hù)層、隔離層、防水層以及二次混凝土襯砌層。其中，丙烯酸鹽噴膜防水層位于隔離層與二次混凝土襯砌層之間。鐵路隧道噴膜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。丙烯酸鹽噴膜主要由丙烯酸鹽、甲基丙烯酸鹽、交聯(lián)劑以及水溶性不飽和酸酯類等材料通過(guò)一定的比例配制而成，其具有很強(qiáng)的吸水性，吸水后，水分子進(jìn)入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，防水薄膜會(huì)發(fā)生膨脹，體積增大，這個(gè)過(guò)程被稱之為溶脹過(guò)程。在吸水狀態(tài)或者潮濕環(huán)境下，防水膜具有高彈性。這種高彈性可以使其在發(fā)生形變之后能盡快恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài)，避免防水膜發(fā)生脆性斷裂破損，從而起到防水、隔水的效果。

2 防水噴膜施工工藝

本次試驗(yàn)所用防水噴膜材料配比情況為：丙烯酸摻量為1.44 g，α-甲基丙酸摻量為0.72 g，MgO摻量為0.56 g，H₂O摻量為1.75 g，聚乙二醇二丙烯酸酯摻量為0.4 g，甲基丙烯酸乙氧基乙酯摻量為0.2 g，甲基丙烯酸-2-羥乙酯摻量為1.3 g，引發(fā)劑摻量為總質(zhì)量的1.5%。

防水噴膜施工工藝分為兩個(gè)階段：第一階段是主液?jiǎn)误w生產(chǎn)流程，由于丙烯酸、甲基丙烯酸具有一定的揮發(fā)性，且?guī)в写碳ば詺馕?，同時(shí)還具備一定的可燃性和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此這一階段主要在生產(chǎn)廠家完成；第二階段是現(xiàn)場(chǎng)配制流程，主要是施工單位在施工現(xiàn)場(chǎng)完成。施工過(guò)程中注意防止A液和B液混合在一起，因?yàn)閮烧咭坏┗旌暇蜁?huì)迅速聚合，從而導(dǎo)致噴槍堵塞，因此在施工過(guò)程中選用的是雙組分噴涂設(shè)備，流程見(jiàn)圖2。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 施工接縫制作

按照第2小節(jié)材料配比，將聚丙烯酸鹽噴膜材料分兩次進(jìn)行噴涂，第一層噴涂完后，待其表干后再進(jìn)行第二次噴涂（兩次噴涂間隔時(shí)間約為10 min），施工間斷接縫示意見(jiàn)圖3。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共對(duì)6組（編號(hào)為JF1～6）聚丙烯酸鹽噴膜施工接縫進(jìn)行拉伸性能、粘結(jié)性能（與混凝土粘結(jié)性）、耐酸堿性能、不透水性能測(cè)試，并與正常施工噴膜組（編號(hào)為ZC1）進(jìn)行對(duì)比。

拉伸性能：將含有施工接縫的噴膜制作成長(zhǎng)度為25 mm的I型啞鈴狀試件，并在試件上劃好平行標(biāo)線，測(cè)量試件的平均厚度。然后將試件放到拉伸試驗(yàn)機(jī)上，按照500 mm/min的速率將試件拉斷，測(cè)量試件斷裂時(shí)的最大荷載和斷裂時(shí)標(biāo)線的距離，從而計(jì)算得到拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

粘結(jié)性能：制作6塊長(zhǎng)度為100 mm，寬度為100 mm，厚度為30 mm的C30混凝土試件，并將其表面清潔，然后噴涂第一層聚丙烯酸鹽材料，待其干燥后再噴涂一層，每層涂抹厚度均在1 mm左右。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，然后將涂有聚丙烯酸鹽一面與拉拔頭固定（兩者之間涂抹高強(qiáng)度膠粘劑），再放置1 d，將拉拔頭與試驗(yàn)機(jī)相連，以5 mm/min的速率對(duì)試件進(jìn)行拉伸，直至試件破壞，記錄試件破壞時(shí)的最大拉力。

耐酸堿性能：將噴膜制作成25 mm的I型啞鈴狀試件，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)4 d，之后將試件分別在pH=11～12，、pH=5～6的酸堿溶液中浸泡7 d，觀察試件的長(zhǎng)度、厚度和面積的變化情況。

不透水性能：裁剪3個(gè)（150×150）mm的薄膜試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)2 h，將試件固定在透水盤(pán)上，然后往透水儀中加水，擦干試件非迎水面的水，開(kāi)始慢慢加壓到0.3 MPa，并保持30 min，觀察壓力有無(wú)下降或者非迎水面有無(wú)滲漏情況。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 拉伸性能

不同試驗(yàn)組噴膜拉伸性能參數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可以看到：有施工接縫的噴膜材料拉伸強(qiáng)度普遍比正常施工噴膜材料的拉伸強(qiáng)度低。JF1與ZC1組拉伸強(qiáng)度相差最大，達(dá)到0.75 MPa。6組有接縫的噴膜材料平均拉伸強(qiáng)度為4.87 MPa，僅比沒(méi)有接縫的噴膜低0.23 MPa，拉伸強(qiáng)度降低率僅為4.5%。有施工接縫的噴膜材料斷裂伸長(zhǎng)率普遍高于無(wú)接縫噴膜材料。JF4與ZC1斷裂伸長(zhǎng)率相差最大，達(dá)到79.14%。6組有接縫的噴膜材料平均斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到470.09%，而正常施工噴膜材料斷裂伸長(zhǎng)率為438.41%，前者比后者增大約7.2%。

參照《丙烯酸鹽噴膜防水應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對(duì)于噴膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的要求：斷裂拉伸強(qiáng)度≥1.1 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥200%，有施工接縫的噴膜均滿足相關(guān)要求，且遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求。因此從整體上來(lái)講，施工接縫對(duì)聚丙烯酸鹽噴膜拉伸性能的影響較小。

4.2 粘結(jié)性能

不同試驗(yàn)組噴膜粘結(jié)性能參數(shù)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖5。從圖5中可知：有施工接縫的噴膜粘結(jié)強(qiáng)度介于0.81～0.98 MPa，而無(wú)接縫的噴膜粘結(jié)強(qiáng)度為0.99 MPa，有接縫噴膜的平均粘結(jié)強(qiáng)度為0.87 MPa，比無(wú)接縫的噴膜粘結(jié)強(qiáng)度小0.12 MPa，相比無(wú)接縫噴膜降低約12.1%。在試驗(yàn)過(guò)程中，前后兩次噴膜防水層并未分離，施工間斷后接縫處的兩層防水噴膜仍然是一個(gè)整體，連接沒(méi)有間隙，而且參照《丙烯酸鹽噴膜防水應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對(duì)于噴膜粘結(jié)強(qiáng)度的要求：粘結(jié)強(qiáng)度≥0.3 MPa，即使是有接縫的噴膜，其粘結(jié)強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)程要求，因此施工接縫對(duì)聚丙烯酸鹽噴膜粘結(jié)性能的影響不大。

4.3 耐酸堿性能

有/無(wú)施工接縫薄膜試件在pH=11～12中浸泡7 d后的相關(guān)指標(biāo)變化情況見(jiàn)表1。由表1可知：無(wú)施工接縫存在時(shí)，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長(zhǎng)度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了4.3 mm、1.3 mm和21.6 mm²，變化幅度分別為81.1%、61.9%和194.6%。當(dāng)有施工接縫存在時(shí)，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長(zhǎng)度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了7.9 mm、2.7 mm和51.04 mm²，變化幅度分別為116.2%、192.9%和536.1%。有施工接縫的試件經(jīng)過(guò)堿性溶液浸泡后形變明顯大于無(wú)施工接縫試件，因此，存在施工接縫時(shí)對(duì)于防水層的耐堿性是不利的。但是，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)講，施工接縫表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，連接完整性還比較好。

有/無(wú)施工接縫薄膜試件在pH=5～6中浸泡7 d后的相關(guān)指標(biāo)變化情況見(jiàn)表2。從表2中可知：無(wú)施工接縫存在時(shí)，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長(zhǎng)度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了0.4 mm、0.4 mm和3.08 mm²，變化幅度分別為7.5%、20%和29.1%。當(dāng)有施工接縫存在時(shí)，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長(zhǎng)度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了4.0 mm、1.1 mm和17.51 mm²，變化幅度分別為65.6%、68.8%和179.4%。有施工接縫的試件經(jīng)過(guò)酸性溶液浸泡后的形變也明顯大于無(wú)施工接縫試件，但是相對(duì)于在堿性溶液中的形變，有/無(wú)施工接縫均較小，這是因?yàn)樵趬A性溶液中，酯鍵更容易遭到破壞，而酸溶液的酸性比丙烯酸和甲基丙烯酸弱，不可能實(shí)現(xiàn)弱酸制強(qiáng)酸的逆過(guò)程，因此聚丙烯酸鹽噴膜的耐酸性要強(qiáng)于耐堿性。存在施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜在弱酸弱堿中浸泡后，均沒(méi)有出現(xiàn)脫落或者分離現(xiàn)象，因此施工接縫對(duì)耐酸堿性的影響較小。

4.4 不透水性能

三個(gè)有施工接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，水壓基本保持在0.3 MPa不變，且非迎水面均無(wú)滲漏水現(xiàn)象，表明施工接縫對(duì)聚丙烯酸鹽噴膜不透水性能沒(méi)有影響。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）施工接縫會(huì)造成聚丙烯酸鹽噴膜防水層拉伸強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度減小，斷裂伸長(zhǎng)率增大，但整體上影響較小，拉伸性能和粘結(jié)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）聚丙烯酸鹽噴膜耐酸性較耐堿性強(qiáng)，有施工接縫試件在經(jīng)過(guò)酸堿溶液浸泡后，形變量較無(wú)施工接縫試件有較大幅度增加，尤其是在堿性溶液中的影響更大。但施工接縫表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，連接完整性還比較好，滿足耐酸堿性能要求。

（3）有接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，壓力基本不變，且非迎水面沒(méi)有明顯滲漏現(xiàn)象，不透水性能良好。

（4）綜上分析可知：施工接縫對(duì)于聚丙烯酸鹽噴膜的拉伸性能、粘結(jié)強(qiáng)度、酸堿性和不透水性的影響不大。在弱酸弱堿環(huán)境中整體性也較好，無(wú)須做特殊處理。但是，當(dāng)隧道中存在強(qiáng)堿或者強(qiáng)酸性液體時(shí)，不建議采用聚丙烯酸鹽噴膜作為防水層。

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收稿日期：2023-04-00